Spredning af nanomaterialer i vandige medier: mod protokollen optimering

Environment
 

Summary

Her præsenterer vi en trinvis protokol for spredningen af nanomaterialer i vandige medier med real-time karakterisering at identificere optimale sonikering betingelser, intensitet og varighed for forbedret stabilitet og ensartethed af nanopartikler dispersioner uden at påvirke prøve integritet.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Kaur, I., Ellis, L. J., Romer, I., Tantra, R., Carriere, M., Allard, S., Mayne-L'Hermite, M., Minelli, C., Unger, W., Potthoff, A., Rades, S., Valsami-Jones, E. Dispersion of Nanomaterials in Aqueous Media: Towards Protocol Optimization. J. Vis. Exp. (130), e56074, doi:10.3791/56074 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Sonikering proces er almindeligt anvendt til de agglomerering og sprede nanomaterialer i vandige baseret medier, nødvendigt at forbedre homogeniteten og stabiliteten af suspensionen. I denne undersøgelse foretages en systematisk trinvis tilgang til at identificere optimale sonikering betingelser for at opnå en stabil dispersion. Denne fremgangsmåde er vedtaget og vist sig at være velegnet til flere nanomaterialer (cerium oxid, zinkoxid og kulstof-nanorør) spredt i ionbyttet (DI) vand. Dog med ændringer i enten nanomateriale type eller sprede medium skal der være optimering af de grundlæggende protokol ved at justere forskellige faktorer såsom sonikering tid, magt og sonikator type samt temperaturstigning i løbet af processen. Tilgangen registrerer dispersion processen i detaljer. Det er nødvendigt at identificere tidspunkter samt andre ovennævnte betingelser under sonikering proces, hvor der kan være uønskede ændringer, som skader partikel overflade dermed påvirke overfladeegenskaber. Vores mål er at tilbyde en harmoniseret tilgang, der kan kontrollere kvaliteten af den endelige, producerede dispersion. Sådan en retningslinje er medvirkende til at sikre spredning kvalitet repeterbarhed i nanoscience Fællesskabet, navnlig inden for projektgruppen for Nanotoksikologi.

Introduction

Sonikering er processen til oprettelse af cavitations, som indebærer skabelse, vækst, og sammenbrud bobler (ofte kaldet hotspots) dannet i flydende på grund af bestråling af høj intensitet ultralyd1. I et laboratorium indstilling udføres ultralydbehandling metode ved hjælp af en sonikator. Der er forskellige sonicators, alt har den generelle funktion af de agglomerering partikler, som spredes i en lage som individuelle (eller primære) partikler. Ved at anvende sonikering, kan prøve homogenitet forbedre, potentielt at opnå et meget smallere partikelstørrelsesfordeling. Et vigtigt aspekt at overveje i forbindelse med spredning er stabiliteten i den endelige dispersion. Her, er stabiliteten af suspensionen defineret som hvor partiklerne ikke bosætte sig eller sediment ned i deres spredte tilstand og den gennemsnitlige hydrodynamiske diameter målinger ikke variere mere end 10% mellem de fem gentagne målinger taget i løbet af denne tid (omkring 10 min)2,3. Der er flere måder at måle spredningen stabilitet. Dette omfatter vurdering af zeta potentiale (ZP) gennem måling af elektroforese mobilitet af partikler. En anden er at måle den karakteristiske absorption af nanopartikler i UV spektrale vifte4.

I feltet i projektgruppen for Nanotoksikologi er evnen til at have kontrol over dispersion kvalitet meget vigtigt, som dispersion skridt vil bestemme vigtigste fysisk-kemiske egenskaber, såsom størrelse/partikelstørrelsesfordeling, form, sammenlægning/byområder, overflade opkræve, etc. denne igen vil i sidste ende påvirke interaktionen af partikler med test medier og resultatet af forskellige i in vitro og i vivo forsøg, for at udlede de potentielle risici ved nanomaterialer.

Sonikering udføres almindeligvis ved hjælp af en sonde-type (direkte) eller et ultralydsbad, eller ultralyd sonde med et hætteglas diskant (indirekte ultralydbehandling). Alle typer af sonikering er tilgængelige i en vifte af intensitet og output strømindstillinger, undertiden tilpasset med en anden type af sonotrode for bestemte processer eller krav, og egner sig til flydende enheder spænder fra 2 til 250 mL. Selv om sonden ultralydbehandling er kendt for at klare sig bedre end bad sonikering på grund af lokaliserede højintensive5, foretrækkes bad sonikering ofte frem for sonden-type for udarbejdelsen af toksikologiske test suspensioner på grund af muligt forurening risikoen gennem tip, erosion af titanium sonde tip efter længere tids brug, og sonden nedsænkning dybde uoverensstemmelser. En ultralyd sonde monteret med et hætteglas diskant er ligeledes fordelagtig over direkte sonden på grund af de ovennævnte kontamineringsrisici samt operation venlighed af udstyr. Flere hætteglas er sonicated på samme tid og med den samme intensitet. Dette ikke kun sparer tid men sikrer, at alle prøverne behandles ens, hvilket gør resultaterne blandt prøver mere pålidelige og sammenlignelige. Sikkerhedsforskning af nanomaterialer undgås forurening altid. Men sonden sonikator passer ikke dette krav og er ikke blevet testet. Sonden sonicators er kendt for at forårsage nogle uundgåelige bivirkninger såsom prøve forurening på grund af tip erosion samt reduceret energiproduktion fører til ændringer af dispersion betingelser, dermed at kompromittere data reproducerbarhed6, 7 , 8. Derudover prøver er normalt kører i udækkede beholdere til flydende tab på grund af fordampning samt støv deposition. For at undgå disse utilsigtede ændringer, anbefaler de seneste undersøgelser alternative indirekte sonicators baseret på deres effektive energi levering samt suspension renhed sikkerhed6.

Ikke-optimeret ultralydbehandling kan have en skadelig virkning på resultaterne. Potentielt kan det ændre de vigtigste fysiske og kemiske egenskaber af nanomaterialer som størrelse, størrelse distribution, morfologi og overflade afgift2,9. Tidligere litteratur har rapporteret sådanne mangler at kontrollere sonikering proces og indflydelse på partikel parametre som nano-TiO25,10,11, nano-ZnO6og nano-kobber12 . Desuden har tidligere undersøgelser vist at sonikering proces ikke kun ændrer partikel egenskaber men også regulerer resultatet af toksikologiske forsøg12,13.

For at have kontrol over dispersion proces, er det vigtigt at overvåge og forstå hvordan forskellige faktorer såsom sonikator type, instrument magt og varighed, diskenheder, etc., kan påvirke dispersion kvalitet. Derfor er der behov for at have en systematisk procedure til at analysere vigtigste fysisk-kemiske egenskaber af partikler i spredning på forskellige tidspunkter af sonikering proces. Selv om sådanne overvejelser har taget i betragtning ved et par forskere, er arbejde på dette område begrænset. Bihari et al. har undersøgt dispersion stabilitet af forskellige nanomateriale dispersioner lavet ved hjælp af forskellige ultralyd energier med forskellige spredning stabilisatorer14. En nylig gennemgang af Hartmannn et al. fremhævet at selvom arbejde er blevet gjort for at forstå de forskellige faktorer, der påvirker nanomateriale dispersion kvalitet f.eks., type af sonikator brugt, ultralydbehandling tid, osv., der er stadig ingen veldefineret og alment accepterede sonikering procedure understøtter der aktuelt nanotoxicological test og undersøgelser7,15.

Adskillige analytiske karakterisering teknikker bruges til at overvåge dispersion kvalitet. Disse omfatter anvendelse af: dynamisk lys spredning (DLS), Disc centrifugering, elektroforese lys spredning (ELS), Ultraviolet-synlige (UV-vis) spektroskopi og transmissions elektronmikroskopi (TEM), som måler størrelsen/partikelstørrelsesfordeling, zeta potentiale, dispersion stabilitet og morfologi karakteristika, henholdsvis. DLS bruges ofte til at bestemme den hydrodynamiske diameter (Z-gennemsnit) af partikler og polydispersity indeks (PdI) af nanomateriale dispersion. Ved multimodal størrelse uddeling af DLS, kan Z-gennemsnit ikke er enig med intensitet-vægtede størrelse distribution intensitet. Som sådan kan tilbydes transportforbrugerne middelværdien af intensitet-vægtede størrelse distribution. PdI afspejler rammedirektivs størrelse fordeling med en skala lige fra 0 - 1, med 0 er en monodispersed prøve og 1 er en meget polydisperse sample16. Disc centrifugering er en adskillelse teknik bruges til at bestemme partikelstørrelsesfordeling, ved hjælp af centrifugal bundfældning i flydende substrat. Partikler sediment inden for en optisk klar og roterende disk og mængden af lys spredt af partikler, når de når kanten af disken er optaget og omdannet til partikelstørrelsesfordeling, ved hjælp af Stokes' lov. For at løse multimodale partikel distribution, er teknikker såsom disk centrifuge mere egnet, da de har en separation mekanisme element integreret i apparatet. Zeta potentielle (ζ -potentielle) af partikler er defineret som den elektriske potentiale på deres shear eller glide fly, som er en nominel grænse inden for den elektriske dobbelt lag, der adskiller (bulk) væsken viser normal tyktflydende adfærd fra de Stern lag, et lag, som overvejende er sammensat af counter ioner og anses for at flytte med partikel. Zeta potentiale er direkte relateret til den overflade afgift af partikler og derfor den elektrostatiske interaktion (dvs., frastødning/tiltrækning) mellem partiklerne. Denne parameter er derfor betragtes som en primær indikator for nanomateriale dispersion stabilitet. Af konventionen, zeta potentielle værdi under -25 mV og over 25 mV anses for stabil17,18. Koncentration og typen af ioner samt pH løsning påvirker kraftigt zeta potentielle19. ELS bruges til at måle partikler i dispersion elektroforese mobilitet og denne mobilitet er konverteret til zeta potentiale gennem Henry ligning og Smoluchowski eller Hückel modeller. UV-vis spektroskopi er en teknik, der anvendes til at kvantificere de lys, der er absorberet og spredt af en stikprøve på en bestemt bølgelængde. Det er ofte bruges til at overvåge dispersion stabilitet ved at måle den karakteristiske absorption af nanomaterialer i regionen UV. Endelig, TEM er ofte bruges til at visualisere og analysere størrelse, størrelse distribution, byområdet og form af nanopartikler5,14,15,20.

Vi præsenterer en sammenlignende undersøgelse af seks forskellige nanomateriale dispersioner lavet ved hjælp af ultralyd bad og en ultralyd sonde monteret med et hætteglas diskant. Partikel koncentration, temperatur, sonikator type og indstillinger, der bruges i undersøgelsen er angivet i protokollen, således at de eksperimentelle indstillinger for lignende sonder og ultralyd bade kan udledes. De følgende nanomaterialer bruges: sølv (Ag), cerium oxid (CeO2), zink oxid (ZnO, NM110-hydrophylic og NM111-hydrofobe) og kulstof-baserede nanomaterialer såsom kulstof-nanorør (A32 og A106, se Tabel af materialer).

Vurdering af dispersion kvalitet på forskellige tidspunkter langs sonikering proces er lavet ved hjælp af forskellige karakterisering teknikker, nemlig DLS for størrelse/partikelstørrelsesfordeling, Disc centrifugering i størrelse distribution, ELS for zeta potentiale, UV-vis spektroskopi for stabilitet og TEM for partikel form og homogenitet. En række forskellige nanomaterialer spænder fra metaloxider til kulstof-baserede vurderes. Til sammenligning bruges kommercielle vandig suspension af sølv nanopartikler (Ag NPs) stabiliseret med citrat udjævningen parallelt, for at udlede de forventede langsigtede stabilitet af en relevant kommercielt tilgængelige suspension. Naturligvis, denne Ag NPs model er ikke direkte relateret til nogen af procedurerne, spredning, men fungerer udelukkende for at angive behovet for at re sonikeres eller re-regulering suspensioner efter et stykke tid lagerplads ændringer såsom re byområdet er bundet til at opstå i opbevaring. Suspensionen opbevares i køleskabet i to måneder. I denne periode, er spredningen kendetegnet for at identificere potentielle bymæssigt område af partikler. De første resultater viser en ustabil suspension (som beskrevet i afsnittet resultater ). Efterfølgende underkastes denne dispersion yderligere forskellige sonikering behandlinger, svarer til de andre nanomaterialer anvendes i undersøgelsen. Formålet med undersøgelsen er at bekræfte, at vi de kan vedblive suspension gennem samme sonikering protokol. Ag NPs model kan således knyttes som benchmark for langsigtede undersøgelser der repræsenterer ny spredning af partikler i optimeret form.

Protokollerne dispersion præsenteres her del ligheder med dem, der offentliggøres i den tidligere litteratur og indeholder nogle af de få tidligere fremsat af tidligere arbejdstagere7,21,22,23 ,24,25. I denne undersøgelse er en systematisk og trinvis tilgang bruges til at overvåge dispersion kvalitet i hele dispersion protokol. Denne strategi forpligter sig til real-time karakterisering af nanomateriale dispersioner, for at identificere optimale eksperimentelle dispersion betingelser (figur 1).

Figure 1
Figur 1. Rutediagram skildrer den ordning og trinvis rækkefølgen af dispersion protokol. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

Bemærk: Alle kemikalier anvendes som modtaget uden yderligere rensning. Bruge ultrarent vand hele undersøgelsen med en resistivitet på 18 MΩ·cm. Alle rede dispersioner er generelt opbevares ved 5 ° C i mørke for enhver yderligere karakterisering eller fremtidige stabilitetsundersøgelser, men dette kan variere afhængigt af materialesammensætning og andre tilknyttede egenskaber som opløsning. For eksempel, er Ag NPs generelt stabil i et stykke tid hvis gemt mellem 2-5 ° C sollys; men dynamiske ændringer er forpligtet til at ske inden for suspensioner og dispersioner vil re vedblive alligevel og er kendt for at sediment ned med tiden. Analysere disse materialer ved hjælp af DLS, UV-vis, og TEM for kvalitet verifikation før biologiske test4,5,13,14. En koncentration af 0,02 mg/mL bruges til analyse nedenfor. Prøven koncentration er velegnet til analyse ved hjælp af DLS, UV-vis, disc centrifuge, zeta-potentielle beregninger og TEM analyse.

1. kalibrering af leverede strøm af Sonicators

Bemærk: Den effektive akustiske magt leveret til sonicated suspension er en vigtig parameter for at opnå reproducerbare dispersioner. Dette er forskelligt fra den elektriske input eller output-effekt af den generator, fabrikanten har angivet, da dette er den faktiske magt, der leveres til suspension under sonikering26. Blandt mange metoder til beregning af effektiv leverede magt er den mest anvendte metode kalorimetri26. Dette er kendt for at være en enkel og effektiv måde til direkte måling af effektiv power leveret til en suspension7. I denne metode, temperaturstigning i flydende på en given sonikator indstilling registreres over tid og den effektive strøm leveret beregnes ved hjælp af følgende ligning:
Equation
hvor P er den leverede akustiske effekt (W), T er temperaturen (K), t svarer til tid (s), CP er den specifikke varme væske (4.18 Jørgensen/g· K for vand), og M er massen af væske (g).

  1. Kalibrering af leverede strøm af ultralydsonde monteret med et hætteglas diskant
    Bemærk: Metoden, der er tilpasset fra Taurozzi et al. 7 og de følgende skridt er anbefalet.
    1. Placer en tom plastik hætteglas på microbalance og Tara balancen.
    2. Fyld hætteglasset med 1,5 mL Deioniseret vand (resistivitet 18 MΩ·cm) og optage massen af væske ved hjælp af balancen.
    3. Hætteglasset i en af seks hætteglas huller i den høje intensitet del af hætteglasset diskant og fordybe en temperatur sonde er tilsluttet en digital temperatur måler ved hjælp af en klemme. Kontroller, at sonden ikke røre væggene i hætteglasset og er ca 2 cm under den væske overflade.
    4. Angiv indstillingen hætteglas diskant på 24 kHz og 10 W (amplitude justering på 50%) og fungere i vedvarende tilstand.
      Bemærk: Andre amplitude justeringer testet her er 70%, 90% og 100%.
    5. Optage stigningen i vandtemperaturen i de første 5 min. med et interval på 30 s og sikre at hætteglasset eller Konfigurer ikke skifte position.
    6. Oprette en temperatur kontra tid graf i et regneark software og opnå den bedste lineære fit til kurven ved hjælp af mindste kvadraters regression.
    7. Få hældningen af grafen (som er stigende temperatur over tid) og beregne effekt leveres ved hjælp af ligningen 1. Gentage forsøget tre gange og få middelværdien.
    8. Gentag proceduren fra trin 1.1.1 - 1.1.4 til 70%, 90% og 100% amplitude indstillinger. Effektværdien fremstillet ved hjælp af denne procedure er rapporteret under dispersion procedure.
  2. Kalibrering af leverede strøm af et ultralydsbad.
    1. Placer en tom plastik hætteglas på microbalance og Tara balancen.
    2. Fyld hætteglasset med 1,5 mL Deioniseret vand (resistivitet 18 MΩ·cm) og optage massen af væske ved hjælp af balancen.
    3. Placer hætteglas midt i ultralydsbad halvdelen dyppet i vand og sikre det med en klemme. Fordybe en temperatur sonde er tilsluttet en digital temperatur måler ved hjælp af en klemme. Kontroller, at sonden ikke røre væggene i hætteglasset og er ca 2 cm under den væske overflade.
    4. Oprette ultralydbad på 40 KHz og 80 W og fungere i vedvarende tilstand.
    5. Optage stigningen i vandtemperaturen i de første 5 min. med et interval på 30 s og sikre at hætteglasset eller Konfigurer ikke skifte position.
    6. Oprette en temperatur kontra tid graf i excel og opnå den bedste lineære fit til kurven ved hjælp af mindste kvadraters regression.
    7. Få hældningen af grafen for funktionen i et regneark software (som er stigende temperatur over tid) og beregne effekt leveres ved hjælp af ligningen 1. Gentage forsøget tre gange og få middelværdien. Effektværdien fremstillet ved hjælp af denne procedure er rapporteret under proceduren dispersion.

2. spredning Procedure i vandigt Medium ved hjælp af en ultralydsonde monteret med et hætteglas diskant

  1. Veje 2 mg af hvert af de krævede nanopowder ved hjælp af en ren spatel til tre ren hætteglas. Mærke dem som hætteglas 1, 2 og 3.
  2. Afpipetteres ud 1 mL Deioniseret vand og tilføje langs væggene i hvert hætteglas. Lav en tyk pasta ved hjælp af en ren tynde glasstang, så tilsæt resten af vandet for at foretage en endelig koncentration på 0,2 mg/mL. I tilfælde af en hydrofobe prøve, udføre tørstofmængden med 1 mL 0,5% vol/vol ethanol og tilføje DI vand at indhente den krævede endelig koncentration.
  3. Forsegle hvert hætteglas med sin kasket og ryst godt i den horisontale cirkulære bevægelse til removeany nanopowder holder sig til væggene i hætteglasset.
  4. Placere de tre hætteglas i ultralydsonde monteret med et hætteglas diskant og anvende den første sonikering behandling for 2 min på 1,1 W i pulserende mode (1 s/1 s, hvilket betyder 1 s på og 1 s off). Dette vil give en temperaturstigning på omkring 4 ° C i spredningen.
  5. Tegne hætteglas 1 og pipette en passende mængde af alikvot fra toppen af hætteglasset, fortyndes med Deioniseret vand til en koncentration på 0,02 mg/mL. Karakterisere den fortyndede spredning for størrelse, partikelstørrelsesfordeling, form, byområdet og zeta potentiale ved hjælp af en række gratis teknikker såsom DLS, TEM, UV-vis, og ELS (omtalt i afsnit 4). Registrere og dokumentere målingerne præcist.
  6. Pause i 10 min. fra trin 2.4 at tillade køling af prøven og undgå enhver brat temperaturstigning i systemet. Anvende en anden sonikering behandling til hætteglas 2 og 3 til 4 min på de samme indstillinger af amplitude og pulserende mode. Tag hætteglas 2, Gentag trin 2,5, og dokumentere aflæsninger efter 6 min af sonikering.
  7. Pause i 10 min, anvende en tredje sonikering behandling til hætteglas 3 til en anden 4 min og derefter følge trin 2,5. Registrere og dokumentere målinger på 10 min af sonikering (omtalt i afsnit 4).
    Bemærk: Lab frakker, handsker og beskyttelsesbriller skal bæres ved håndtering af suspensioner af nanopartikler. Sonikator skal placeres i akustisk kabinet under længere eksperimenter, og høj beskyttelse ørevarmere skal bæres, når man arbejder tættere til ultralyd kilde.

3. spredning Procedure i vandigt Medium ved hjælp af et ultralydsbad.

  1. 2 mg af hvert af de krævede nanopowder ved hjælp af en ren spatel i fire rene hætteglas og mærke dem som hætteglas 4, 5, 6 og 7.
  2. Afpipetteres ud et par dråber af DI vand og tilføje langs væggene i hvert hætteglas, og lav en tyk pasta ved hjælp af ren tynde glasstav. Derefter tilsæt resten af vandet for at foretage en endelig koncentration på 0,2 mg/mL i hvert hætteglas.
    Bemærk: I tilfælde af en hydrofobe prøve, tørstofmængden er udført ved hjælp af 1 mL 0,5% vol/vol ethanol og derefter DI vand er tilføjet for at gøre op den krævede endelig koncentration.
  3. Forsegle hvert hætteglas med sin kasket og ryst godt i den horisontale cirkulære bevægelse til at fjerne enhver nanopowder, holder sig til væggene i hætteglasset.
  4. Anbring fire hætteglassene midt i ultralydsbad med hætteglas halvdelen dyppet i vand og anvende den første sonikering behandling på 80 W i 15 min. ved stuetemperatur. Dette ville give en temperaturstigning på omkring 3 ° C i spredningen.
  5. Fjern hætteglas 4 fra den ultralydbad og afpipetteres en passende mængde af alikvot fra toppen af hætteglasset, fortyndes med Deioniseret vand til en koncentration på 0,02 mg/mL og karakterisere prøve for størrelse, partikelstørrelsesfordeling, form, byområdet og zeta potentiale ved hjælp af en række gratis teknikker såsom DLS, TEM, UV-vis, og ELS (omtalt i afsnit 4). Registrere og dokumentere målingerne.
  6. Ændre vand i den ultralydbad og anvende en anden sonikering behandling til hætteglas 5, 6 og 7 for en anden 15 min på de samme indstillinger (80 W). Fjerne hætteglas 5, Følg trin 3.5 til karakterisering og dokumentere aflæsninger på 30 min af sonikering.
  7. Skift vandet i ultralydsbad (for at undgå enhver yderligere temperaturstigning) og anvende en tredje sonikering behandling af en anden 30 min til hætteglas 6 og 7 på de samme indstillinger med en lille pause på Skift vand igen på 15 min. Fjern vial 6 og følg trin 3.5. Registrere og dokumentere målinger på 1 h af sonikering.
  8. Skift vand igen i ultralydsbad hver 15 min og anvende en fjerde sonikering behandling til hætteglas 7 for en time at holde konstanten indstillinger. Tag hætteglas 7 og følg trin 3.5 for fuldstændig karakterisering, og optage målinger på 2 h af sonikering.

4. Karakteristik af de spredte prøver på forskellige tidspunkter

  1. Størrelse karakterisering ved hjælp af DLS 27
    1. Åbn DLS-softwaren. Oprette en størrelse måling fil der kan individualiseres for en specifik nanomateriale (herunder en for en standard) bruge brydningsindeks værdien fra Malvern manual. Derudover input andre data, som kræves af softwaren, som værdier af absorption og viskositet, og også type dispergens.
    2. Indtast i eksperimentet betingelserne for prøven, såsom 2 min ekvilibreringstid, 20 ° C temperatur, kuvette Skriv som lav lydstyrke engangs kuvette, og eksperimentere kører i automatisk tilstand. Tryk på fil | Gem (Gem med det ønskede navn).
    3. Tryk på "fil | Åbne ny måling"og køre en DLS kontrolprøve ved hjælp af standard latex perler med en nominel størrelse 100 nm at kvalificere instrument ydeevne
      1. Brug en lav lydstyrke engangs kuvette. Indsprøjte 1 mL af prøven ved hjælp af sprøjte eller pipetter til at undgå eventuelle luftbobler.
        Bemærk: Ren kuvetter med ethanol og Deioniseret vand inden brug.
      2. Indsæt kuvette i maskinen. Klik på knappen "start" i panelet fil måling. Bemærk, at dette vil reagensglasset prøve i 2 min. og tag målinger ved 20 ° C.
        Bemærk: Hvis prøver tidligere har været gemt i køleskabet, Tillad dem at nå frem til stuetemperatur før anvendelse.
      3. Indsamle mindst fem målinger i automatisk tilstand og tage gennemsnittet af målinger til at rapportere størrelsen ved at markere alle målinger og klikke på "gennemsnit" fra det øverste panel. Eksportere data til excel for yderligere analyse.
      4. Rapporter den hydrodynamiske diameter som Z-gennemsnit, med PdI bredde repræsenterer standardafvigelsen af Z-gennemsnittet i tilfælde af en monomodal fordeling28. I tilfælde af en betydelig uoverensstemmelse mellem Z-gennemsnittet og middelværdi af fordelingen, intensitet-vægtede størrelse, der er betegnende for polydispersity eller det bymæssige område, er gennemsnit af intensitet-vægtede størrelse distribution resultat noteret med en kommentar på prøve status.
      5. Gentag trin 4.1.3 for nye målinger.
        Bemærk: DLS er ikke en passende teknik for analyse af ikke-ideelle prøver. Hermed mener vi prøver, som er ikke-sfæriske partikler af høj polydispersity, omfattende byområdet, bundfældning, osv de gentagne målinger kan medføre unøjagtige aflæsninger på grund af sedimentation/afregning partikler. I sådanne tilfælde anbefales andre gratis teknikker såsom disk centrifugering, som kan bruges til at vurdere spredningen i en kvalitativ måde.
  2. Størrelse distribution af Disc centrifugering
    1. Åbn CPS-softwaren. Vælg "Procedure definitionen", sætte i stikprøven SOP navn øverst, og fylde prøven parametre såsom mindste og største diameter, partikel tæthed, brydningsindeks, absorption og ikke-kugleform faktor29.
      1. For eksempel, for ZnO nanopartikler, indtaste 0,1 micron og 1,0 mikron i de mindste og største diameter faner, henholdsvis, Angiv 5,61 g/mL i partikel tæthed, 2.1 i afsnittet brydningsindeks, 0,001 i partikel absorption, og 1 i den ikke-kugleform afsnit.
    2. Fylde af kalibrering standard oplysninger baseret på PVC-standarden af peak diameter 0.377 µm med en partikel tæthed af 1.385 g/mL. Også udfylde væske parametre (saccharose, væske tæthed af 1,04 g/mL, og væske brydningsindekset af 1.35) og navn og gemme proceduren.
    3. Valgte den valgte procedure (SOP gemte i trin 4.2.1) og tilføre hul igennem disk, og tryk på 'starten' den første gradient niveau, 1,6 mL af saccharose (24%).
      Bemærk: Saccharose her rolle er at etablere et tæthed farveforløb i disken mens spinding med en konstant hastighed. Dette beregnes automatisk disk hastighed afhængig af rækken størrelse.
    4. Vent indtil softwaren når den automatisk beregnede RPM (omdrejninger per minut). Stabilisere sedimentation ved at indsprøjte en graduering af saccharose (8% lav tæthed og 24% høj tæthed, se tabel 1), 1,6 mL total mængde hver gang starter med højeste tæthed og slutter med den laveste tæthed-løsning.
      Bemærk: Her vi mark 8% rørsukkeropløsning som lav og 24% rørsukkeropløsning så højt. De er blandet i følgende bind (samlede volumen 1,6 mL hver gang) og injiceres disken én efter én, indtil en gradient er dannet.
      1. Herefter indsprøjtes 1,0 mL af dodecane cap væske som hjælper med at opretholde gradient indeni disken for et minimum af 6 h. Tillad disc centrifuge til blandingen henstår i 1 h.
    5. Vælg "Drive analyzer" og indføre sample ID, og tryk på start. Injicere 0,2 mL af standard med en 1 mL sprøjte i disken og tryk på mellemrumstasten på samme tid. Derefter indsprøjtes 0,2 mL af prøven og tryk på mellemrumstasten på samme tid. Vente på målingen til finish og derefter klikke på næste prøve.
    6. Bruge disken centrifuge kontrol system-software til at erhverve og behandle data. For dette, skal du klikke på "Hent distribution" og klik på eksempel navnet; Dette åbner størrelse distribution grafen for prøven. Eksportere data til et regneark manager.
  3. Dispersion stabilitet undersøgelse ved hjælp af UV-vis spektroskopi
    Bemærk: UV-vis spektroskopi er ofte bruges til at forstå den suspension stabilitet og sammenlægning af omhyggeligt observere ændringer i peak intensitet, spektrale skævhed, spektral form samt bølgelængden skift i absorptionsspektrum4. De detaljerede trin er som følger.
    1. Åbn UV-vis Spektrofotometer software og klik på "spektrum scan"30.
    2. Brug en standard kvarts kuvette (semi microrectangular quartz celle 100 mm, 190-2.700 nm). Injicere 2-3 mL af prøven ved hjælp af en pipette.
      1. Før brug, vaske kuvetter med 50% salpetersyre i 10 min og derefter vaskes tre gange med renset vand. Skyl derefter med acetone og fjerne overskydende lufttørre.
    3. Forudindstillede rækken instrument indstilling til 700 nm til 200 nm bølgelængde fra fanen bølgelængde ved at klikke på "Instrument" øverst i panelet software og klikke på 'Angiv bølgelængde'.
    4. Klik på "baseline". Baggrunden trækker hvert spektrum ved hjælp af en tilsvarende 'Tom' dvs, en kuvette fyldt med blot sprede medium, hvilket i dette tilfælde er vand.
      Bemærk: I tilfælde af hydrofobe prøver, en lignende forholdet ethanol: vand bruges som sprede medium.
    5. Indsamle mindst tre individuelle spectra på hver prøve ved at klikke på "Instrument | Ejendom", og indtast '3' i antallet af spektre. Tage gennemsnitsværdierne for analyse. Gemme data og eksportere data til yderligere analyse.
  4. Zeta potentielle målinger ved hjælp af ELS
    1. Åbn DLS-softwaren. Oprette en zeta potentielle måling fil, der kan individualiseres for en specifik nanomateriale bruge brydningsindeks værdien fra Malvern manual. Indtast andre oplysninger, der kan sættes i software fx, absorption, viskositet, og typen af dispergens som findes i prøven indstilling tab. falde i hak "fil | Gem"og Gem med det ønskede navn.
    2. Klik på "fil | Åbne ny måling"og kontrollere instrument ydeevne ved hjælp af en reference standard DTS 1235 (zeta potentielle standard). Dette er en standard i vandig buffer pH-værdi på 9 polystyren latex og har en zeta potentiale af-42 ± 4,2 mV.
    3. Forberede prøven i en sprøjte af mindst 1 mL kapacitet. Brug en engangs foldede kapillær celle monteret med en elektrode på hver side for zeta potentielle målinger. Omhyggeligt injicere prøven i cellen kapillær gennem en af portene på kapillær celle kontrol, der er ingen bobler.
      1. Når prøven begynder at dukke op fra anden enden, indsætte propperne og fjerne enhver væske, der kan have spildt på elektroderne. Ren kuvetter grundigt med ethanol og Deioniseret vand.
    4. Indsæt den foldede kapillær celle ind i maskinen. Blandingen henstår i 2 min og erhverve målinger på 200 ° C, medmindre angivet. Hvis spredningen prøver tidligere har været gemt i køleskabet, tillade dispersion prøver at nå stuetemperatur før anvendelse.
    5. Indsamle mindst fem målinger i automatisk tilstand og rapportere den gennemsnit zeta potentielle værdi. Eksportere data, analysere17,18 (typisk, zeta potentielle værdi under -25 mV og over 25 mV anses for stabil), og fortolke online eller offline.
  5. Morfologiske karakteristika ved hjælp af TEM
    1. Bruge Linjenet (300 mesh) holey carbon film for prøveforberedelsen. Lægge et drop i eksemplet dispersion (ca 0,1 mL, 0,02 mg/mL) på en ren gitter.
    2. Tillade prøven til luft tørre i omgivende betingelser samtidig holde gitrene dækket for at forhindre luftbåren forurening.
    3. Vask gitre med ultra-rene vand for at fjerne enhver udtørrende virkning og i henhold til TEM billeddannelse.
      Bemærk: Tilsætning af dispersion drop på gitteret øger koncentrationen af partikler på gitteret overfladen således fører til attraktive Inter partikel styrker. Ujævn tørring kan føre til artefakter. En lille Skyl med ultra-rene vand eliminerer denne risiko og er nyttigt for en ensartet tørring af gitre31.
    4. Erhverve billeder i et format, dm3 og senere undersøge dem offline ved hjælp af TEM software.
      Bemærk: Billeder kan bruges til at udlede supplerende oplysninger omkring partikelstørrelse, struktur og form. Filerne konverteres til tiff, hvor kvantificering på egenskaber som form og størrelse kan gennemføres.

Representative Results

De kolorimetriske data viser stigning i temperatur over tid under begge sonikering typer er vist i figur 2. Den effektive akustiske strøm leveret til spredning i en ultralyd sonde monteret med et hætteglas diskant (strømkilde 200 W) beregnes for at være 0,55 ± 0,05 W på 50% amplitude, 0,75 ± 0,04 W på 70% amplitude, 1,09 ± 0,05 W på 90% amplitude og 1,15 ± 0,05 W på 50% amplit ude, hvorimod for ultralydbad (strømkilde 80 W) det beregnes for at være 0.093 ± 0,04 W på 100% indstilling. Konstateringen minder tidligere publicerede artikler, som viser, at power output vises ved at sonicators er langt mindre end, leveres til suspensioner under behandling32,33,34.

Figure 2
Figur 2. Kolorimetriske data viser temperaturstigning over tid under sonikering ved hjælp af (A) en ultralydsonde monteret med et hætteglas diskant og (B) et ultralydsbad. Den effektive akustiske strøm leveret til spredning i en ultralyd sonde monteret med et hætteglas diskant (strømkilde 200 W) beregnes for at være 0,55 ± 0,05 W på 50% amplitude, 0,75 ± 0,04 W på 70% amplitude, 1,09 ± 0,05 W på 90% amplitude og 1,15 ± 0,05 W på 50% amplit ude, hvorimod for ultralydbad (strømkilde 80 W) det beregnes for at være 0.093 ± 0,04 W på 100% indstilling. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Resultaterne forbundet med de forskellige nanomaterialer dispersioner produceret af forskellige protokoller er sammenfattet i tabel 2. Resultaterne viser den variation i dispersion kvalitet (som målt ved DLS, ELS og TEM) forbundet med forskellige nanomaterialer dispersioner fremstillet ved hjælp af forskellige sonikering betingelser. Som forventet, data variabilitet styres af flere faktorer såsom type af nanomateriale, ultralydbehandling periode, og om en sonde eller et ultralydsbad har været anvendt i protokollen. UV-vis spektret opnået for hver nanomateriale er vist i figur 3 og figur 4 og DLS resultater er vist i figur 5 og figur 6.

Formålet med tabel 2 er ikke kun at vise graden af data variation, men også at give mulighed for identifikation af en optimeret dispersion protokol for en given nanomateriale dispersion. Hvis sådanne dispersioner havde været brugt som en del af en nanotoxicological testmetode, så ideelt er at have en stabil dispersion (helst en størrelsesorden af på mindst ± 30 mV), en lille PdI angiver smallere partikelstørrelsesfordeling (helst med PdI på 0,2 eller derunder), og en lille gennemsnitlige DLS partikelstørrelse, at angive opløsningen af store vandbad. Her, Z-gennemsnittet er defineret som intensiteten baseret gennemsnitlige størrelse af nanopartikler og PdI er en foranstaltning af bredden af overordnet størrelse distribution (beskrevet ovenfor i Introduktion).

NM Eksempelkode Sonikering tid Størrelse af DLS (nm) Polydispersity indeks (PdI) Zeta potentiale (mV)
Cerium oxid CeO2_powder 0 396±130 0.763±0.100 17.2±0.4
CeO2_B_15min 15 min 128±4 0.231±0.015 39.2±1.0
CeO2_B_30min 30 min 117±5 0.210±0.008 38.1±0.5
CeO2_B_1h 1 h 95±3 0.209±0.012 46.5±0.5
CeO2_B_2h 2 h 92±2 0.203±0.007 46.5±1.4
CeO2_P_2min 2 min 126±7 0.218±0.005 28.8±0.7
CeO2_P_6min 6 min 131±2 0.209±0.014 40.5±0.7
CeO2_P_10min 10 min 122±1 0.184±0.014 44.4±1.3
Zink oxid (hydrofile) ZnO_NM110 pulver 0 1410±120 0.786±0.150 17.1±0.5
ZnO_NM110_B 15 min 239±2 0.130±0.024 25.4±1.0
_15min
ZnO_NM110_B 30 min 251±2 0.166±0.020 21.6±0.3
_30min
ZnO_NM110_B 1 h 310±8 0.162±0.025 21.0±0.2
_1hr
ZnO_NM110_B 2 h 274±3 0.243±0.014 25.2±0.7
_2hr
ZnO_NM110_P 2 min 377±20 0.267±0.025 21.7±0.4
_2min
ZnO_NM110_P 6 min 885±70 0.276±0.023 8.6±0.6
_6min
ZnO_NM110_P 10 min 1074±88 0.673±0.058 11.2±1.4
_10min
Zink oxid (hydrofobe) ZnO_NM111_ 0 758±86 0.823±0.006 -14.6±0.7
pulver
ZnO_NM111_ 15 min 384±95 0.399±0.074 -17.5±1.0
B_15min
ZnO_NM111_ 30 min 282±35 0.361±0.009 -22.4±0.5
B_30min
ZnO_NM111_ 1 h 296±18 0.379±0.031 -22.8±0.5
B_1hr
ZnO_NM111_ 2 h 280±54 0.366±0.031 -23.7±1.0
B_2hr
ZnO_NM111_ 2 min 227±9 0.402±0.032 19.8±0.8
P_2min
ZnO_NM111_ 6 min 340±58 0.477±0.026 -21.1±0.2
P_6min
ZnO_NM111_ 10 min 370±72 0.626±0.065 -21.8±0.8
P_10min
CNT A32_powder 2 min 306±5 0.279±0.029 -23.7±0.5
A32_B_15min 15 min 250±3 0.200±0.007 -18.0±0.4
A32_B_30min 30 min 255±2 0.282±0.036 -20.2±1.1
A32_B_1hr 1 h 230±3 0.226±0.021 -21.7±0.5
A32_B_2hr 2 h 267±3 0.337±0.019 -20.6±0.6
A32_P_2min 2 min 255±4 0.217±0.011 -22.5±0.4
A32_P_6min 6 min 245±9 0.328±0.029 -23.6±0.8
A32_P_10min 10 min 254±4 0.313±0.029 -23.6±0.5
CNT A106_powder 2 min 580±18 0.305±0.070 -35.9±1.0
A106_B_15min 15 min 573±18 0.404±0.016 -29.5±1.0
A106_B_30min 30 min 479±11 0.363±0.013 -28.8±1.4
A106_B_1hr 1 h 566±22 0.461±0.054 -25.0±0.7
A106_B_2hr 2 h 477±10 0.311±0.027 -26.8±0.5
A106_P_2min 2 min 300±58 0.473±0.053 -29.8±1.0
A106_P_6min 6 min 390±10 0.359±0.022 -40.7±0.5
A106_P_10min 10 min 300±85 0.511±0.134 -24.5±0.7
Sølv Ag_cit 0 72±50 0.462±0.258 -38.7±1.3
Ag_B_15min 15 min 25±1 0.489±0.008 -39.8±2.2
Ag_B_30min 30 min 25±1 0.532±0.036 -30.7±2.8
Ag_B_1hr 1 h 25±1 0.542±0.028 -39.2±1.7
Ag_B_2hr 2 h 28±5 0.387±0.015 -35.8±1.8
Ag_P_2min 2 min 29±1 0.300±0.025 -42.0±2.9
Ag_P_6min 6 min 26±2 0.263±0.017 -40.4±1.5
Ag_P_10min 10 min 25±2 0.251±0.011 -47.3±1.4

Tabel 2. Resumé af resultaterne af NM spredning i vand. 'P' i stikprøven koder angiver dispersion udføres ved hjælp af en ultralydsonde monteret med et hætteglas diskant og 'B' i eksempelkoden er angivet spredning udføres ved hjælp af et ultralydsbad. Alle målinger blev taget på 0,02 mg/mL. Sonikering ved tid 0 betyder en ikke-sonicated suspension dvsfast bare ryste og blanding uden nogen anden statsstøtte. CNTs, der er fuldstændig uopløseligt og ikke-spredbar i DI vand på fysiske rystelser blev sonicated for en indledende 2 min i Bad sonikator og også rapporteret.

Figure 3
Figur 3. UV-vis spektre af (A) CeO2, (B) ZnO NM110 og c ZnO NM111 spredning i vand. UV-vis spektroskopi er brugt til at forstå suspension stabilitet og sammenlægning af omhyggeligt observere ændringer i peak intensitet, spektrale skævhed, spektral form samt bølgelængde skift i absorptionsspektre. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4. UV-vis spektre af (A) CNTs A106, b CNTs A32 og (C) Ag_citrate spredning i vand. UV-vis spektroskopi er brugt til at forstå suspension stabilitet og sammenlægning af omhyggeligt observere ændringer i peak intensitet, spektrale skævhed, spektral form samt bølgelængde skift i absorptionsspektre. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5. Størrelse distribution af intensitet fremstillet med DLS for (A) CeO2, (B) ZnO NM110 og c ZnO NM111 spredning i vand. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6. Størrelse distribution af intensitet fremstillet med DLS for a CNTs A106, b CNTs A32 og (C) Ag_citrate spredning i vand. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

I tilfælde af CeO2 nanomateriale suspension resulterede brug af sonikering i en samlet nedgang i partikelstørrelse og PDI værdier. Uden nogen sonikering viser resultaterne en multimodal intensitet fordeling med en Z-gennemsnittet (396 ± 130 nm) og en meget høj PdI værdi af 0.763 ± 0,100 (tabel 2). Desuden viser spredningen en zeta potentielle værdi af 17,2 ± 0,4 mV. Det skal bemærkes, at en PdI af ≥0.5 er udtryk for et stærkt polydisperse suspension. Derfor, prøven blev udsat for disk centrifugering, og størrelse distribution oplysninger indhentet også bekræftet en uensartet og inhomogene prøve (figur 7a). Morfologi og størrelse analysen af TEM yderligere bekræftet, at partikler i spredningen er stærkt polydisperse (figur 8). Ved at sprede pulver ved hjælp af et ultralydsbad i 15 min., resultaterne viste forbedring i den samlede spredning kvalitet. Navnlig, havde den overordnede stabilitet (som bemærket af dens tilsvarende zeta potentielle værdi) og monodispersity forbedret. Stigende sonikering tid til 2 h resulterede i meget forbedret stabilitet og smallere partikelstørrelsesfordeling (tabel 2). Det er klart, at der gradvis forbedring i dispersion kvalitet benyttes længere bad sonikering tid, som det ses af den gradvise reduktion hydrodynamiske diameter og PdI. Lignende resultater blev opnået hvis proceduren spredning var blevet gennemført ved hjælp af en ultralydsonde i stedet. Samlet set er en mere stabil og homogen tilstand af byområdet opnået ved hjælp af sonde, som bekræftet af DLS og TEM data. Interessant, kan ultralydbad viste sig for at være en bedre løsning end brugen af en sonde, som en meget mindre gennemsnitlige partikelstørrelse og en meget højere zeta potentielle værdi opnås ved hjælp af et bad i stedet en sonde. Det bemærkes, at i begge sonikering procedurer, TEM micrographs bekræftet tilstedeværelsen af forskellige primære partikler til at omfatte: kugler, terninger og polyedre.

Figure 7
Figur 7. Størrelse distribution fremstillet med Disc centrifugering for (A) CeO2_powder og (B) ZnO NM110_powder spredning i vand ved 0 min. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8. TEM billeder af den administrerende direktør2 demonstrerer virkningen af sonikering på stikprøve homogeniety og stabilitet. Skalalinjen er 100 nm for hver prøve. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

I tilfælde af ZnO, to typer af ZnO anvendes i dispersioner dvs, ZnO nanomaterialer af forskellige overflade profiler, hydrofile (NM110) og hydrofobe (NM111). Resultaterne viser lignende resultater mellem de to typer af ZnO. Begge viser, at med ingen sonikering dispersion kvalitet angivet en stor gennemsnitlig partikelstørrelse og høj polydispersity. NM110 har en Z-gennemsnittet af 1.410 ± 120 nm og PdI 0.786 ± 0.150 nm; NM111 har en Z-gennemsnittet af 758 ± 86 nm og PdI 0.823 ± 0.006. Størrelse distribution data indhentet for NM110 fra disk centrifugering bekræfter også prøve polydispersity og uensartethed (figur 7b). Størrelse og polydispersity af de sonicated NM110 synes at falde med 15 min behandling i ultralydsbad og nå frem til en optimal reduktion plateau på 30 min sonikering tid. Længere sonikering tid viser en generel stigning i partikel størrelse data, potentielt på grund af partikel re agglomerering efter at blive de-sammenpresset i første omgang. På den anden side viser NM110 en homogen og stabil dispersion efter 2 min af ultralydsonde behandling. Længere cyklusser af 6 min og 10 min viser dog også en stigning i partikelstørrelse og PdI værdier, der angiver re bymæssigt område af partikler. TEM (figur 9 og figur 10) og UV-vis (figur 3b-c) resultaterne yderligere bekræfte tilstand af sådanne dispersion kvalitet. Interessant, overholdes meget ens resultater i forbindelse med NM111 når de behandles med en ultralyd sonde. Igen, den systematiske tilgang angiver, at den bedste spredning blev opnået på 2 min, som mulig ny bebyggelse kan være forbundet med tilsvarende 6 min og 10 min tilfælde. Når et ultralydsbad blev brugt i stedet, nået dispersion partikelstørrelse et plateau efter 30 min af sonikering; Når der ingen yderligere øge eller mindske størrelse eller polydispersity værdier er observeret. Også, TEM micrographs opnået for den hydrofobe NM111 indikerer tilstedeværelsen af forskellige artefakter og andre tørring effekter på gitteret TEM (figur 10). Dette viser at tørstofmængden med ethanol eller andre organiske opløsningsmidler kan være nyttige til udarbejdelse af vandige dispersioner, men der var udfordringer ved immobilisere hydrofobe nanomateriale prøver på carbon gitre. Generelt, hvis en optimal spredning protokol er identificeret, og hvis dette er omfattet af den mindste tilsvarende PDI værdi, så dette svarer til ZnO_NM110_B1 h og ZnO_Nm111_B30 min hydrofile NM110 og hydrofobe NM 111 tilfælde, henholdsvis.

Figure 9
Figur 9. TEM billeder af ZnO NM110 demonstrerer effekten af sonikering på stikprøve homogeniety og stabilitet. Skalalinjen er 100 nm for hver prøve. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 10
Figur 10. TEM billeder af ZnO NM111 demonstrerer effekten af sonikering på stikprøve homogeniety og stabilitet. Skalalinjen er 0,1 µm af ZnO_NM111_B_15 min, ZnO_NM111_B_1 h, og ZnO_NM111_P_2 min, og 0,2 µm for resten af prøverne. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

I tilfælde af kulstof-nanorør (CNTs) resultater viser, at sådanne nanomaterialer ikke nemt spredbar i vand, navnlig dispersion protokollen indebærer brug af fysisk omrøring eller kraftig omrystning. Dette gælder for både multi-walled kulstof-nanorør (MWCNTs) anvendes i denne undersøgelse. TEM micrographs i sagen om både A106 og A32 dispersioner udført på 2 min og 15 min af sonikering cyklus er vist i Figur 11 og figur 12, henholdsvis. Ved stigende sonikering tid, angive resultater brud på CNTs, hvilket ofte resulterer i længde ændringer. Længde ændringer var tilsyneladende både sonde og ultralyd sonikering. Resultaterne viser, at A106 og A32 CNTs kan være tilstrækkeligt spredt efter en 2 min behandling hvis en ultralydsonde bruges. Tilstrækkelig spredning betyder her kritisk sonikering tidsgrænse hvor alle kulstof nanorør (CNT) bundter er åbne og enkelte rør er adskilt35. Ved stigende sonikering tid til 6 min eller 10 min, tyder resultaterne på en ændring af længde distribution og meget højere polydispersity. Endelig, intensiteten fordelt størrelse data fra DLS (figur 6a-b) og absorptionsspektre gennem UV-vis (figur 4a-b) bekræfter også, at CNT dispersioner er meget følsomme overfor sonikering tid og om en sonde eller et badekar er blevet brugt. Både A106 og A32 CNTs viser en absorbans peak mellem 253 og 310 nm, som er typisk for MWCNTs36. Peak intensitet er kendt for at være en god indikator for maksimale opnåelige spredning i en sonikering-drevet spredning af MWCNTs. UV-spektrum af både A106 og A32 angiver 2 min og 15 min af sonikering cyklus for at være optimal for suspensionen. Ved langvarig sonikering udvider peak med mindre peak intensitet samt prøve ødelæggelse angivet af skift i den absorbans spektrum og spektral skævhed (dannelse af peak skuldre).

Figure 11
Figur 11. TEM billeder af CNTs A106 demonstrerer virkningen af sonikering på stikprøve homogeniety og stabilitet. Skalalinjen er 200 nm for hver prøve. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 12
Figur 12. TEM billeder af CNTs A32 demonstrerer virkningen af sonikering på stikprøve homogeniety og stabilitet. Skalalinjen er 200 nm for hver prøve. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Endelig, for at have en vis grad af sammenligninger, dataene er sammenlignet med en kommercielt tilgængelig suspension af citrate stabiliserede Ag NPs (nominel diameter 10 nm, 0,02 mg/mL). Karakterisering data viser at spredningen er meget sammenpresset og meget polydisperse. DLS data viser en multimodal fordeling med en hydrodynamiske diameter på 72 ± 50 nm og en høj PdI på 0.46 ± 0,26 (figur 6 c). Morfologisk analyse af TEM (Figur 13) og bred overflade Plasmon resonans (SPR) peak (absorption på 418 nm i synlig region) af UV-vis (fig. 4 c) yderligere bekræfte en meget polydisperse prøve. Interessant, ultralydbad behandling forbedrer dispersion stabilitet og PdI, men kun hvis en tilstrækkelig lang sonikering periode bruges; gangen 2 h sonikering skulle resultere i DLS partikelstørrelse 28 ± 5 nm og PdI 0.387 ± 0.015 (tabel 1). Men hvis en ultralydsonde bruges i stedet, prøve homogenitet og stabilitet bemærkelsesværdigt forbedre på bare 2 min sonikering tid, hvilket resulterer i DLS partikelstørrelse på 29 ± 1 nm, PdI 0,300 ± 0.025 og ZP-42 ± 3 mV. Denne kvalitetsforbedring dispersion fremgår også op til en 10 min sonikering tidsindstilling, hvor en DLS partikelstørrelse på 25 ± 2 nm, PdI 0,251 ± 0.011 og ZP-47.3 ± 1.4 mV er observeret. Her, på 10 min af sonikering bruger hætteglas diskant, PdI falder og ZP øger. De tilsvarende TEM micrographs på sådanne respektive tidspunkter også bekræfte forbedret prøve homogenitet efter passende sonikering protokoller er anvendt. Der er en hurtig forbedring af prøven homogenitet og dispersity af partikler i TEM billeder. Prøve 2 min. viser nogle bymæssigt område i forhold til de enkelte partikler sonicated i 10 min ved hjælp af hætteglasset diskant.

Figure 13
Figur 13. TEM billeder af den kommercielle Ag NPs demonstrerer virkningen af sonikering på stikprøve homogeniety og stabilitet. Skalalinjen er 200 nm for hver prøve. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Høj (mL) Lav (mL)
1.4 0,2
1.2 0,4
1 0,6
0,8 0,8
0,6 1
0,4 1.2
0,2 1.4
0 1,6

Tabel 1. Saccharose tæthed farveforløb blanding for samlede 1,6 mL volumen. Her har vi mærket 8% rørsukkeropløsning som lav og 24% rørsukkeropløsning så højt. De er blandet i de følgende bind (samlede volumen 1,6 mL hver gang) og injiceres dis kegle én efter én, indtil en gradient er dannet.

Discussion

Det ultimative mål med studiet er at udvikle en strategi, der ville tillade identifikation af optimal sonikering betingelser at gøre dispersioner af en række udvalgte nanomaterialer i vand. Et forsøg er lavet her omhyggeligt dokumentere protokol trin og parametre under sonikering for at opfylde de huller tidligere identificerede i anmeldelser samt at følge henstillingerne i de sidste15. Optimal spredning betingelser identificeres ved at karakterisere dispersioner efter hver sonikering cyklus og prøve stabilitet og ensartethed. Vurdering af virkningerne af sonikering procedurer og stabilitet status er baseret på de karakteristiske ændringer i vigtigste fysisk-kemiske egenskaber af nanomaterialer, som bestemmes af forskellige analytiske teknikker: DLS, ELS, UV-vis, og TEM. Den nuværende protokol er en tilpasset metode for spredningen af nanomaterialer fra den seneste litteratur og andre forsknings projekter21,22,37,38,39 med nogle ændringer og forbedringer vedrørende de vigtigste huller, trin og deres anvendelighed til bredere nanomaterialer af lignende overflade profil7. Dog er forsigtig justeringer nødvendige med hensyn til deres sonikering tid, styrke og type for deres anvendelse til andre nanomaterialer. Også i er videre arbejde forpligtet til at etablere en sammenhæng mellem sonikering procedure og biologisk aktivitet af nanomaterialer. Seks forskellige typer af nanomateriale dispersioner der evalueres og sammenlignes, primært for deres stabilitet, ved hjælp af et ultralydsbad og en ultralyd sonde monteret med et hætteglas diskant på faste tidspunkter. For at opretholde suspensionen renhed og utilsigtede ændringer forårsaget på grund af forurening, undgås sonde sonikering her. I hætteglas diskant, kan af hætteglas forblive lukket. Dette eliminerer enhver krydskontaminering af prøver.

Kalibrering af sonicators er en afgørende faktor, da en række sonicators er tilgængelige med forskellige frekvenser, amplitude og beføjelser. Bestem den effektiv akustisk energi leveret til suspensionen ved udføres kalibrering af sonicators ved hjælp af kalorimetri. Den akustiske effekt leveret 70% amplitude indstilling for hætteglas diskant og for 100% ultralydbad indstilling er beregnet til at være < 1 W (0,75 ± 0,04 W og 0.093 ± 0,04 W, henholdsvis). Dog power output anført af producenterne for hætteglas diskant og bad sonikator er 200 W og 80 W, henholdsvis. Dette angiver, at trods den høje strømkilde det meste af energien går tabt under generation af cavitational bobler og kun en lille brøkdel faktisk leveres til dispersion under behandling26. Nylige undersøgelser har fremhævet betydningen af cavitational måling kontrol i forhold til den tilladte effektoptag for sonikator til en bedre spredning kontrol under sonikering8. Metoden, der synes lovende for kontrolleret spredningen af meget delikat nanomaterialer såsom CNTs og anbefales til fremtidige undersøgelser.

Hver teknik, der anvendes i undersøgelsen er baseret på forskellige principper med begrænsninger til alle. DLS er ikke en ideel teknik til ikke-sfæriske suspensioner samt stærkt polydisperse systemer. I sådanne forhold anbefales DCS på grund af høj opløsning, nøjagtighed og præcision40. DCS kan helt adskilte meget smalle størrelse distribution toppe, der afviger så lidt som 3%. TEM giver direkte visuelle billeder af nanopartikler og er et fantastisk værktøj til bestemmelse af sammenlægning, spredning, størrelse og form af partikler, men teknikken kræver prøven tørring, hvilket kan føre til artefakter41. Dette kan fjernes ved vask gitre med ultrarent vand som beskrevet i trin 4.5.3.

Blandt andre fremhæver metoden, der nogle kritiske trin som type i hætteglas bruges i protokollen, nedsænkning dybde og placeringen af hætteglassene i ultralydsbad samt hætteglas diskant. Temperaturkontrol af systemet under agitation er en vigtig parameter. Hyppige vandskift i ultralydsbad og pulserende mode køre for hætteglas diskant anbefales for at undgå enhver varmeudvikling under sonikering, således at man undgår enhver prøve ændringer. Trinnet tørstofmængden for hydrofobe prøver såsom zink oxid hjælper i spredningen af partikler, men dette kan fremkalde nogle uønskede ændringer. Sonikering tid og energi skal være høj nok til at de-vedblive partiklerne, men ikke for meget at det bryder partiklerne. Resultaterne viser, at klumpe brud er afhængige af partikel type.

Vores resultater fremhæve vigtigheden af at have en detaljeret dispersion protokol, som resultaterne viser, at vigtigste fysisk-kemiske egenskaber potentielt kan ændres undervejs sonikering som styret af faktorer såsom sonikator type, ultralydbehandling varighed tid, og power output. Resultater har vist, at stikprøven integritet potentielt er kompromitteret på højere intensitet agitation. Resultaterne viser, at CNTs er meget følsomme over for agitation, så går i stykker er meget sandsynligt, at forekomme, når sonikering varighed og styrke er ændret. Tæt på optimale indstillinger for spredningen af CNTs er mellem 2-15 min i den ultralydbad og kun 2 min. ved hjælp af en ultralydsonde. Men ultralydbehandling stadig kan have forårsaget nogle nanorør shortenings, der præcist ikke kan kvantificeres her. DLS kan ikke være en ideel teknik til karakterisering af CNTs, men det stadig kan give hydrodynamiske diameter for nanorør og disse data kan være informative forskelle i længden-distributioner CNTs blandt forskellige prøver16, 42,43. Tidligere undersøgelser viser, at CNTs dispersion-protokollen kan blive meget forstærket ved tilsætning af overfladeaktive stoffer som overfladeaktive molekyler er absorberet på nanorør éncellelag, hvilket giver en hindring for brud på grund af sonikering35, 44. men dette kan ikke sammenlignes direkte til denne protokol som ingen overfladeaktive stoffer, der er involveret i denne sag. Det er vigtigt at bemærke, at sikre længde størrelse distribution for CNTs er meget vigtigt, som størrelsesforholdet er ofte korreleret med visse toksikologiske svar. Derimod CeO2 gav forskellige resultater i forhold til CNTs, i hvilke langvarig sonikering gange benytter enten ultralydbad eller sonde, føre til dannelsen af primære partikler. Forskel i resultaterne mellem CNT og CeO2 tilfælde fremhæver vigtigheden at skræddersy dispersion protokoller f.eks., optimere sonikering tid og effekt i overensstemmelse med begyndende materiale dvs, type af nanomateriale pulvere. Hver nanomateriale pulver prøvetype er anderledes, da der vil være forskellige grad af bymæssigt område inden for pulveret, selv. I visse tilfælde har nedtrapning byområdet proces med held resulterede i nedtrapning byområdet primære partikler niveau, som fremgår af fremkomsten af andre formede partikler i TEM-billeder, som ikke var synlige før trinnet sonikering. Den langvarige sonikering resulterede i den løbende bryde cerium oxid vandbad på forskellige vinkler, hvilket fører til multi-facetteret partikler.

I tilfælde af kommercielt købte vandige prøve af Ag NPs dispersioner understrege vores resultater også behovet for langsigtet stabilitet og ensartethed vurdering. Der er behov for at sikre, at dispersioner er blevet tilstrækkeligt karakteriseret forudgående at bruge, især i tilfælde af langtidsopbevaring. Nanomaterialer har dog en meget kort holdbarhed. De ældes med tiden og kan opføre sig forskelligt efter lang sigt opbevaring i forhold til en frisklavet dispersion.

Resultaterne her fremhæve behovet for en harmoniseret strategi til at identificere en optimeret protokol for forskellige nanomaterialer. Den præsenterede foreslåede strategi er at gennemføre forskellige variationer i metoden ultralydbehandling og sikre at dispersioner på forskellige tidspunkter er tilstrækkeligt karakteriseret ved hjælp af supplerende analytiske metoder. Vægt på brugen af en multi metode tilgang til at karakterisere og overvåge dispersion kvalitet gennem tiden og forskellige forsøgsbetingelser er blevet fremhævet af tidligere arbejdstagere45. Selv om forskellige metoder til sonikering er blevet præsenteret for at tage højde for specifikke nanomateriale spredning i undersøgelsen, kan potentielt de bruges som grundlag til at sprede andre metal og oxid nanomaterialer (af lignende overflade egenskaber) i vand. Dog kræver at have nogen ændring i enten nanomateriale type eller flydende medium behovet for at optimere den grundlæggende protokol, som kan gøres ved omhyggelig justering af forskellige faktorer fxultralydbehandling tid, styrke og sonikator type. Uanset protokollen er valgt og udpeget som optimal, der er altid behov for at have en detaljeret rapport om ordningen og trinvis rækkefølgen af sonikering dispersion procedure. Det er vigtigt at forbedre interpretability og sammenlignelighed. En af anvendelserne af denne protokol er at lette data sammenlignelighed blandt andre labs, fører til en harmoniseret og standardiseret tilgang til fremtidige undersøgelser. De nuværende metode og kontrol parametre kan udnyttes til andre sprede medier bortset fra vand og sammenligninger kan tegnes på et sag til sag.

Disclosures

Forfatterne har ingen konkurrerende finansiel interesse. IK EVJ i fællesskab udformet undersøgelse med IK'S design, udført eksperimenter, analyseres data og udarbejdet manuskriptet. LJE og IR udført TEM billeddannelse. SA, MLM og MC leveret CNTs, og resten af co-forfatterne drøftet og kommenterede manuskriptet på alle stadier og RT bidraget til redigering af håndskriftet.

Acknowledgments

Forskning fører til disse resultater har modtaget støtte fra NE/J010783/1. Projektet NanoValid har modtaget støtte fra EUs syvende Program for forskning, teknologisk udvikling og demonstration under grant aftale nr. 263147.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cerium oxide nanopowder Sigma-Aldrich 544841 <25 nm particle size (BET)
Zinc oxide European Commission's Joint Research Centre (JRC) NM110 hydrophylic
Zinc oxide European Commission's Joint Research Centre (JRC) NM111 hydrophobic
Multi walled carbon nanotubes NanoMile project (Large Collaborative Project under the European Commission's 7th Framework Programme) A32 (MWCNT1) 3.0±1.8 µm long, O/C ratio of 4.5%
Multi walledcarbon nanotubes NanoMile project A106 (MWCNT2) 3.3±2.4 µm long, O/C ratio of 7%
Silver dispersion Sigma-Aldrich 730785 10 nm particle size (TEM), 0.02 mg/mL
Zetasizer nano Malvern Instruments Particle size and zeta-potential measurements 
Disc Centrifuge CPS instruments Inc. Model DC 24000 Particle size distribution by centrifugal sedimentation
Transmission electron microscope JEOL USA Jeol 1200EX TEM Bright field images, particle size, shape, agglomeration
Ultrasonic probe fitted with a vial tweeter Hielscher UIS250V Sonicator
Ultrasonic bath Branson  Model 1510 Sonicator
Eppendorf vials Eppendorf 2236411-1 1.5ml capacity
UV-vis spectrophotometer Jenson flight deck Model 6800 SPR peaks, suspension stability
Disposable folded capillary cell Malvern Instruments DTS 1070 for the measurement of elecr
Zeta- potential standard Malvern Instruments DTS 1235
Quartz cuvette Jasco 1103-0042 Rectangular quartz cell 10 x 100
Spectrosil Quartz with lid 190 -2700 nm

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Yin, L., Wang, Y., Pang, G., Koltypin, Y., Gedanken, A. Sonochemical Synthesis of Cerium Oxide Nanoparticles-Effect of Additives and Quantum Size Effect. J Colloid Interface Sci. 246, (1), 78-84 (2002).
  2. Mandzy, N., Grulke, E., Druffel, T. Breakage of TiO2 agglomerates in electrostatically stabilized aqueous dispersions. Powder Technol. 160, (2005).
  3. Nickel, C., et al. Dynamic light-scattering measurement comparability of nanomaterial suspensions. J Nanopart Res. 16, (2), 12 (2014).
  4. Ray, T. R., Lettiere, B., de Rutte, J., Pennathur, S. Quantitative Characterization of the Colloidal Stability of Metallic Nanoparticles Using UV-vis Absorbance Spectroscopy. Langmuir. 31, (12), 3577-3586 (2015).
  5. Jiang, J., Oberdöster, G., Biswas, P. Characterization of size, surface charge, and agglomeration state of nanoparticle dispersions for toxicological studies. J Nanopart Res. 11, (2009).
  6. Wu, W., et al. Dispersion Method for Safety Research on Manufactured Nanomaterials. Industrial Health. 52, (1), 54-65 (2014).
  7. Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Wiesner, M. R. Ultrasonic dispersion of nanoparticles for environmental, health and safety assessment - issues and recommendations. Nanotoxicology. 5, (4), 711-729 (2011).
  8. Sesis, A., et al. Influence of Acoustic Cavitation on the Controlled Ultrasonic Dispersion of Carbon Nanotubes. J Phys Chem B. 117, (48), 15141-15150 (2013).
  9. Farré, M., Gajda-Schrantz, K., Kantiani, L., Barceló, D. Ecotoxicity and analysis of nanomaterials in the aquatic environment. Anal Bioanal Chem. 393, (1), 81-95 (2009).
  10. Mandzy, N., Grulke, E., Druffel, T. Breakage of TiO2 agglomerates in electrostatically stabilized aqueous dispersions. Powder Technol. 160, (2), 121-126 (2005).
  11. Meißner, T., Oelschlägel, K., Potthoff, A. Dispersion of nanomaterials used in toxicological studies: a comparison of sonication approaches demonstrated on TiO2 P25. J Nanopart Res. 16, (2), 1-13 (2014).
  12. Cronholm, P., et al. Effect of sonication and serum proteins on copper release from copper nanoparticles and the toxicity towards lung epithelial cells. Nanotoxicology. 5, (2), 269-281 (2011).
  13. Murdock, R. C., Braydich-Stolle, L., Schrand, A. M., Schlager, J. J., Hussain, S. M. Characterization of Nanomaterial Dispersion in Solution Prior to In Vitro Exposure Using Dynamic Light Scattering Technique. Toxicol Sci. 101, (2), 239-253 (2008).
  14. Bihari, P., et al. Optimized dispersion of nanoparticles for biological in vitro and in vivo studies. Particle Fibre Toxicol. 5, (1), 1-14 (2008).
  15. Hartmann, N. B., et al. Techniques and Protocols for Dispersing Nanoparticle Powders in Aqueous Media-Is there a Rationale for Harmonization? J Toxicol Environ Health, B. 18, (6), 299-326 (2015).
  16. Murdock, R. C., Braydich-Stolle, L., Schrand, A. M., Schlager, J. J., Hussain, S. M. Characterization of nanomaterial dispersion in solution prior to in vitro exposure using dynamic light scattering technique. Toxicol Sci. 101, (2008).
  17. Hunter, R. J. Zeta Potential in Colloid Science: Principles and Applications. Academic Press. (1981).
  18. Lyklema, J. Fundamentals of Interface and Colloid Science. (1991).
  19. Sikora, A., et al. A systematic comparison of different techniques to determine the zeta potential of silica nanoparticles in biological medium. Analytical Methods. 7, (23), 9835-9843 (2015).
  20. Lamberty, A., et al. Interlaboratory comparison for the measurement of particle size and zeta potential of silica nanoparticles in an aqueous suspension DISCUSSION. J Nanopart Res. 13, (12), 7317-7329 (2011).
  21. Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. NIST Special Publication. Vol. 1200-1. U.S. Department of Commerce/National Institute of Standards and Technology. Washington D.C. (2012).
  22. Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. NIST Special Publication. Vol. 1200-2. U.S. Department of Commerce/National Institute of Standards and Technology. Washington D.C. (2012).
  23. Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. NIST Special Publication. Vol. 1200-3. U.S. Department of Commerce/National Institute of Standards and Technology. Washington D.C. (2012).
  24. Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Wiesner, M. R. A standardised approach for the dispersion of titanium dioxide nanoparticles in biological media. Nanotoxicol. 7, (4), 389-401 (2013).
  25. NanoValid. www.nanovalid.eu. Available from: http://www.nanovalid.eu (2017).
  26. Yamaguchi, K. -i, Matsumoto, T., Kuwata, K. Proper calibration of ultrasonic power enabled the quantitative analysis of the ultrasonication-induced amyloid formation process. Protein Sci. 21, (1), 38-49 (2012).
  27. Maxit, B. Particle size measurements of dark and concentrated dispersions by dynamic light scattering. (2010).
  28. Darlington, T. K., Neigh, A. M., Spencer, M. T., Guyen, O. T. N., Oldenburg, S. J. Nanoparticle characteristics affecting environmental fate and transport through soil. Environ Toxicol Chem. 28, (6), 1191-1199 (2009).
  29. Mejia, J., Lucas, S. Protocol for the particle determination of a given MNM by the centrifuge liquid sedimentation (CLS) technique. (2015).
  30. Jenway. Model 6305 Spectrophotometer. (2014).
  31. Michen, B., et al. Avoiding drying-artifacts in transmission electron microscopy: Characterizing the size and colloidal state of nanoparticles. Sci Rep. 5, 9793 (2015).
  32. Contamine, R. F., Wilhelm, A. M., Berlan, J., Delmas, H. Power measurement in sonochemistry. Ultrason Sonochem. 2, (1), S43-S47 (1995).
  33. Kimura, T., et al. Standardization of ultrasonic power for sonochemical reaction. Ultrason Sonochem. 3, (3), S157-S161 (1996).
  34. Raso, J., Mañas, P., Pagán, R., Sala, F. J. Influence of different factors on the output power transferred into medium by ultrasound. Ultrason Sonochem. 5, (4), 157-162 (1999).
  35. Matarredona, O., et al. Dispersion of Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions of the Anionic Surfactant NaDDBS. J Phys Chem B. 107, (48), 13357-13367 (2003).
  36. Jiang, L., Gao, L., Sun, J. Production of aqueous colloidal dispersions of carbon nanotubes. J Colloid Interface Sci. 260, (1), 89-94 (2003).
  37. Jensen, K. A., Kembouche, Y., Christiansen, E., Jacobsen, N. R., Wallin, H., Guiot, C., Spalla, O., Witschger, O. The generic NANOGENOTOX dispersion protocol-Standard operation procedure (SOP). 32 (2011).
  38. Jacobsen, N. R., Pojano, G., Wallin, H., Jensen, K. A. Nanomaterial dispersion protocol for toxicological studies in ENPRA. Internal ENPRA Project Report. National Research Centre for the Working Environment. Copenhagen, Denmark. (2010).
  39. PROSPEcT. Protocol for nanoparticle dispersion. (2010).
  40. CPS Instruments, E. urope Introduction to Differential Sedimentation. Netherlands. Available from: http://www.cpsinstruments.eu/pdf/Introduction%20Differential%20Sedimentation.pdf (2007).
  41. Mavrocordatos, D., Pronk, W., Boller, M. Analysis of environmental particles by atomic force microscopy, scanning and transmission electron microscopy. Water Sci Technol. 50, (12), 9-18 (2004).
  42. Moon, Y. K., Lee, J., Lee, J. K., Kim, T. K., Kim, S. H. Synthesis of Length-Controlled Aerosol Carbon Nanotubes and Their Dispersion Stability in Aqueous Solution. Langmuir. 25, (3), 1739-1743 (2009).
  43. Cheng, X., et al. Characterization of Multiwalled Carbon Nanotubes Dispersing in Water and Association with Biological Effects. J Nanomat. 2011, 12 (2011).
  44. Dassios, K. G., et al. Optimization of Sonication Parameters for Homogeneous Surfactant-Assisted Dispersion of Multiwalled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions. J Phys Chem C. 119, (13), 7506-7516 (2015).
  45. Domingos, R. F., et al. Characterizing Manufactured Nanoparticles in the Environment: Multimethod Determination of Particle Sizes. Environ Sci Technol. 43, (19), 7277-7284 (2009).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics